Global Navigation Satellite Systems: A proven and evolving technology

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1 Global Navigation Satellite Systems: A proven and evolving technology Sommaire Global Navigation Satellite Systems: a proven and evolving technology Editorial, par Alain Muls, Royal Military Academy Glossaire - Woordenboek The global positioning system - a revolution in navigation, geodesy and surveying, par A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent, Alain Muls, Royal Military Academie. Global and European reference systems: theory and practice, par C. Bruyninx, Royal Observatory of Belgium Permanente referentienetwerken in België voor de real-time GPS-gebruiker: M. Brondeel, Universiteit Gent; J-P Dejardin, Ministère wallon de l'equipement et des Transports (MET); W. Van Huele, Ondersteunend centrum GIS Vlaanderen; P. Voet, Nationaal Geografisch Instituut; A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent GNSS time transfer developments and applications at the ROB, par P. Defraigne, C. Bruyninx, F. Roosbeek, Royal Observatory of Belgium Utilisation de mesures de phaseurs synchronisés dans la conduite des réseaux électriques, J-C Maun, Université Libre de Bruxelles; L. Philippot, NetCeler France A look into the future of global navigation satellite systems, par A. Muls, Royal Military Academy; T. Willems, Universiteit Gent Nouvelles Septentrio EUGIN

2 Global Navigation Satellite Systems: a proven and evolving technology The global positioning system - a revolution in navigation, geodesy and surveying Ecrit par A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent, Alain Muls, Royal Military Academie. Pendant la dernière décennie, le positionnement par satellites est devenu une aide importante au positionnement géodésique. Le plus répandu de ces systèmes satellitaires est le NAVSTAR-GPS (Navigation System with Timing and Ranging - Global Positioning System) qui fut développé par le Département de la Défense (Dod) des Etats-Unis. Bien qu il s agisse d un système militaire, une utilisation civile gratuite est autorisée avec certaines limitations. Le NAVSTAR-GPS est un système spatial de positionnement radio qui permet aux utilisateurs possédant un récepteur compatible de déterminer très précisément leur position, vitesse et temps. Le système fut initialement conçu pour la navigation en temps réel d objets militaires sur ou près de la surface terrestre avec une précision de moins de 10 m, en permanence, partout sur terre et sous toutes conditions atmosphériques. Le GPS est plus performant que les systèmes terrestres de radionavigation plus anciens grâce à sa plus grande précision et à sa couverture mondiale. Le GPS fournit instantanément la longitude et la latitude, mais également la hauteur au-dessus de l'ellipsoïde terrestre WGS84. A côté de l emploi du GPS pour la navigation des navires et des avions, son utilisation est également possible pour la navigation terrestre des voitures, des camions, des trains et le suivi d animaux. Le GPS peut également être vu comme un système précis de positionnement géodésique et topographique à condition que deux récepteurs enregistrent la phase en même temps. Le GPS est un complément idéal à la gamme des instruments topographiques traditionnels comme les stations totales et les niveaux automatiques. Il ne remplace cependant pas ces instruments classiques, étant donné que le GPS présente un certain nombre de limitations. Finalement, le GPS est devenu un instrument inestimable en photogrammétrie étant donné que le GPS peut déterminer précisément les coordonnées des points de contrôle au sol et des points d enregistrement ainsi que l orientation de la caméra pendant le vol.

3 Global and European reference systems: theory and practice Ecrit par C. Bruyninx, Royal Observatory of Belgium Les coordonnées établies par GPS se rapportent à un système de référence centré sur la Terre, comme le Système Géodésique Mondial 1984 (WGS84) ou le Système de Référence Terrestre International (ITRS). Puisque les réalisations les plus récentes de WGS84 et d'itrs sont équivalentes à 2 cm près, la différence entre ces systèmes ne porte pas à conséquence pour la plupart des applications géodésiques. La différence principale se situe dans le fait que les coordonnées ITRS peuvent être calculées avec une exactitude beaucoup plus grande. Le WGS84 et l'itrs sont des systèmes globaux. En conséquence, leurs coordonnées varient avec le temps, ce qui les rend peu pratiques pour certaines applications géodésiques. En Europe, le système ETRS89 remédie à ce problème. L'ETRS89 a été accepté par la Communauté Européenne comme le datum géodésique à utiliser en Europe. Le système est attaché à la partie stable de la plaque européenne, ce qui signifie que, par exemple, les sites en Belgique ont des coordonnées constantes. Les réalisations successives de l'etrs89 sont calculées directement, en utilisant des formules de transformation connues, à partir des réalisations de l'itrs. Les réalisations ETRS89 sont définies avec une précision de un centimètre et sont conformes à l'itrs. Les coordonnées ITRS et ETRS89 d un site particulier peuvent être calculées en utilisant le positionnement GPS relatif grâce aux sites dont on connaît les coordonnées ITRS. Ces sites font généralement partie de réseaux GPS permanents comme le Service GPS International (IGS) ou le Réseau GPS Permanent d'euref (EPN). Quatre stations GPS permanentes belges, dont la responsabilité incombe à l'observatoire Royal de Belgique (ORB), participent à l'epn et permettent le rattachement à l'itrs et à l'etrs89 avec une précision millimétrique, à condition que les orbites précises de l'igs aient été utilisées pour le traitement des données. En Belgique, l'institut Géographique National (IGN) a créé sa propre réalisation de l ETRS89 basée sur un réseau de premier ordre de 36 repères incluant les quatre stations permanentes de l'orb. Ce réseau a une homogénéité centimétrique. Le réseau IGN de repères géodésiques au sol (4000 points) a également été relié à ce réseau de premier ordre, permettant de connaître leurs coordonnées en ETRS89. Ce processus est actuellement encore en cours d amélioration et un nouveau calcul complet du réseau est prévu pour la fin de L'accès à cette réalisation ETRS89 est alors possible par une surveillance relative du réseau IGN.

4 Permanente referentienetwerken in België voor de real-time GPSgebruiker Ecrit par M. Brondeel, Universiteit Gent; J-P Dejardin, Ministère wallon de l'equipement et des Transports (MET); W. Van Huele, Ondersteunend centrum GIS Vlaanderen; P. Voet, Nationaal Geografisch Instituut; A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent En Belgique, trois instances sont concernées par l installation d un réseau de référence GPS et l envoi de corrections différentielles de phases. Fin 2000, L Institut Géographique National a installé un réseau de 4 stations permanentes couvrant l entièreté de la région de Bruxelles Le but de ce réseau était d étudier le contrôle de l intégrité d un tel réseau. Néanmoins, les données de la station de l Observatoire Royal de Uccle sont à la disposition des utilisateurs. Les utilisateurs real-time ou post-processing peuvent disposer des données de cette station. Pour la Wallonie, c est le Ministère de l Equipement et des Transports qui fut chargé d une tâche similaire. Un réseau de 23 stations, ensemble avec les paramètres de transformation vers les coordonnées belges de Lambert-72, définit un système de référence unique pour la partie francophone du pays. Les utilisateurs GPS peuvent directement contacter par téléphone une station spécifique ou appeler le centre de contrôle pour recevoir les paramètres de corrections calculés pour eux. Naturellement, toutes les données des stations peuvent être téléchargées via Internet. En Flandre, un réseau de 24 stations doit également être mis sur pied pour former une référence unique. Ce réseau est comparable au réseau en Wallonie en ce qui concerne ses objectifs et son emploi. Ici aussi, les utilisateurs RTK peuvent recevoir les données d une station en particulier ou une solution du réseau calculée par le centre de contrôle pour un utilisateur. Les données peuvent également être téléchargées via Internet pour un traitement ultérieur.

5 GNSS time transfer developments and applications at the ROB Ecrit par P. Defraigne, C. Bruyninx, F. Roosbeek, Royal Observatory of Belgium Il existe actuellement plusieurs échelles de temps basées sur le GPS: le Temps Atomique International (TAI), le temps GPS, et l échelle de temps IGS (International GPS Service). Le TAI est calculé par le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) au départ d une moyenne pondérée d environ 250 horloges atomiques reparties dans divers laboratoires au monde. Le temps légal UTC (Temps universel coordonné) se déduit de TAI en ajoutant à ce dernier les «secondes intercalaires» pour être en accord avec la rotation de la Terre. Etant calculée a posteriori, cette échelle de temps n est disponible qu après plusieurs semaines. Si l on veut disposer d une estimation du temps légal en temps réel, il est possible d utiliser le temps GPS obtenu au départ des observations GPS ; la différence entre le temps GPS et UTC est donnée dans le message de navigation avec une incertitude d environ 14 nanosecondes (1 nanoseconde vaut un milliardième de seconde) ; en raison des perturbations du signal GPS lors sa transmission, on ne peut obtenir l heure UTC en utilisant le système GPS qu avec une précision de 100 nanosecondes. Une amélioration jusqu à 15 nansecondes peut cependant être obtenue en filtrant et moyennant les observations. Une autre possibilité est d utiliser les produits du IGS, disponibles avec un délai d environ un jour. Ces produits donnent le comportement des horloges atomiques utilisées dans les stations permanentes IGS et à bord des satellites GPS, par rapport à une moyenne pondérée de ces horloges, qui forme l échelle de temps IGS. Le GPS est également utilisé pour le calcul de TAI : les horloges éloignées sont comparées entre elles par la méthode de vue commune (Figure 2), basée sur des observations GPS : en comparant simultanément leur horloge à l horloge d un même satellite GPS, deux laboratoires éloignés peuvent en déduire l erreur de synchronisation entre leurs horloges respectives. Cette méthode peut être appliquée de plusieurs façons, en utilisant différentes observations GPS (code C/A, code P, phases). Nous montrons ici les possibilités et limitations de ces méthodes, et nous présentons les développements récents réalisés à l Observatoire Royal de Belgique dans le but d améliorer la stabilité en fréquence des comparaisons de temps faites par la vue commune avec GPS.

6 Utilisation de mesures de phaseurs synchronisés dans la conduite des réseaux électriques Ecrit par J-C Maun, Université Libre de Bruxelles; L. Philippot, NetCeler France La disponibilité de phaseurs synchronisés avec une précision de l ordre de la microseconde, mesurés en différents nœuds du réseau électrique est une réalité technique et économique. Le traitement numériques des signaux associés à cette base de temps commune permet une mesure très précise qui ouvre la voie à de nombreuses applications. L estimation de l état du réseau devient possible de façon plus directe ce qui permet le suivi en temps réel des oscillations électro-mécaniques et donc la prédiction d instabilités. On décrit également l utilisation de ces phaseurs synchronisés dans des fonctions de protection, dans l analyse des incidents et pour certaines mesures comme celle de fréquence et celle des paramètres électriques des lignes de transport. A look into the future of global navigation satellite systems Ecrit par A. Muls, Royal Military Academy; T. Willems, Universiteit Gent Depuis le début, quand le GPS (Global Positioning System) a atteint sa capacité opérationnelle initiale, un futur prometteur était promis par les autorités militaires et civiles pour le premier système de navigation réellement global. La tâche initiale, telle qu'elle fut définie par le propriétaire du système, le US Department of Defense, est de fournir des services de navigation et de datation aux forces militaires US et leurs alliés. Dés que la communauté civile fut intéressée par le système, des opportunités et des applications nouvelles et imprévues se développèrent rapidement. De nos jours, le GPS soutiens un grand marché économique militaire et civil. Cependant, ce marché à poussé la configuration GPS actuelle à ses limites et des développements futurs requièrent de nouveaux services et de nouvelles technologies. L'Europe, actuellement dépendante du système américain pour sa navigation, relève le défis et lance le développement de son propre Système Satellitaire Global de Navigation, GALILEO, opérationnel en A attendant, l'europe et les USA testent actuellement des systèmes d'augmentation pour le GPS. Cet article met en évidence les limitations actuelles du système GPS et détaille les développements en Europe pour le système GALILEO. Un bref aperçu du futur du GPS et ses signaux modifiés servira d'indication au lecteur.